Le semi-conducteur le plus connu est le silicium (Si). Mais à côté de lui, il y en a bien d’autres. Un exemple est celui des matériaux semi-conducteurs naturels tels que la mélange de zinc (ZnS), la cuprite (Cu 2 O), la galène (PbS) et bien d'autres. La famille des semi-conducteurs, y compris les semi-conducteurs synthétisés en laboratoire, représente l'une des classes de matériaux les plus polyvalentes connues de l'homme.

Caractéristiques des semi-conducteurs

Sur les 104 éléments du tableau périodique, 79 sont des métaux, 25 sont des non-métaux, dont 13 ont des propriétés semi-conductrices et 12 ont des propriétés diélectriques. La principale différence entre les semi-conducteurs est que leur conductivité électrique augmente considérablement avec l’augmentation de la température. À basses températures ils se comportent comme des diélectriques et, à haute température, comme des conducteurs. C'est en quoi les semi-conducteurs diffèrent des métaux : la résistance d'un métal augmente proportionnellement à l'augmentation de la température.

Une autre différence entre un semi-conducteur et un métal est que la résistance d'un semi-conducteur diminue lorsqu'il est exposé à la lumière, alors que cette dernière n'affecte pas un métal. La conductivité des semi-conducteurs change également lorsqu'une petite quantité d'impureté est introduite.

Les semi-conducteurs se trouvent parmi les composés chimiques présentant diverses structures cristallines. Il peut s'agir d'éléments tels que le silicium et le sélénium, ou de composés binaires tels que l'arséniure de gallium. De nombreux polyacétylène (CH) n, - matériaux semi-conducteurs. Certains semi-conducteurs présentent des propriétés magnétiques (Cd 1-x Mn x Te) ou ferroélectriques (SbSI). D'autres, avec un dopage suffisant, deviennent supraconducteurs (GeTe et SrTiO 3). De nombreux supraconducteurs à haute température récemment découverts possèdent des phases semi-conductrices non métalliques. Par exemple, La 2 CuO 4 est un semi-conducteur, mais lors de la formation d'un alliage avec Sr, il devient un supraconducteur (La 1-x Sr x) 2 CuO 4.

Les manuels de physique définissent un semi-conducteur comme un matériau ayant une résistance électrique de 10 -4 à 10 7 Ohm m. Une définition alternative est également possible. La bande interdite du semi-conducteur est de 0 à 3 eV. Les métaux et semi-métaux sont des matériaux avec un écart énergétique nul, et les substances dans lesquelles il dépasse 3 eV sont appelées isolants. Il y a des exceptions. Par exemple, le diamant semi-conducteur a une largeur de bande interdite de 6 eV, le GaAs semi-isolant de 1,5 eV. GaN, un matériau pour la région bleue, a une bande interdite de 3,5 eV.

Déficit énergétique

Les orbitales de valence des atomes dans un réseau cristallin sont divisées en deux groupes de niveaux d'énergie - une zone libre située à haut niveau et déterminer la conductivité électrique des semi-conducteurs et la bande de valence située en dessous. Ces niveaux, selon la symétrie du réseau cristallin et la composition des atomes, peuvent se croiser ou être situés à distance les uns des autres. Dans ce dernier cas, un écart énergétique ou, en d'autres termes, une zone interdite apparaît entre les zones.

L'emplacement et le remplissage des niveaux déterminent les propriétés de conductivité électrique de la substance. Sur la base de ce critère, les substances sont divisées en conducteurs, isolants et semi-conducteurs. La bande interdite d'un semi-conducteur varie entre 0,01 et 3 eV et la bande interdite du diélectrique dépasse 3 eV. Les métaux n'ont pas de lacunes énergétiques en raison du chevauchement des niveaux.

Les semi-conducteurs et les diélectriques, contrairement aux métaux, ont une bande de valence remplie d'électrons, et la bande libre la plus proche, ou bande de conduction, est isolée de la bande de valence par un espace énergétique - une région d'énergies électroniques interdites.

Dans les diélectriques, l’énergie thermique ou un petit champ électrique ne suffit pas pour franchir cet espace ; les électrons n’entrent pas dans la bande de conduction. Ils ne sont pas capables de se déplacer le long du réseau cristallin et de devenir porteurs de courant électrique.

Pour initier la conductivité électrique, un électron au niveau de valence doit recevoir une énergie suffisante pour combler le fossé énergétique. Ce n’est qu’en absorbant une quantité d’énergie non inférieure à la taille de l’écart énergétique que l’électron passera du niveau de valence au niveau de conduction.

Si la largeur de l'intervalle énergétique dépasse 4 eV, l'excitation de la conductivité du semi-conducteur par irradiation ou chauffage est pratiquement impossible - l'énergie d'excitation des électrons à la température de fusion est insuffisante pour franchir la zone d'intervalle énergétique. Lorsqu'il est chauffé, le cristal fond jusqu'à ce que la conduction électronique se produise. Ces substances comprennent le quartz (dE = 5,2 eV), le diamant (dE = 5,1 eV) et de nombreux sels.

Impureté et conductivité intrinsèque des semi-conducteurs

Les cristaux semi-conducteurs purs ont leur propre conductivité. De tels semi-conducteurs sont appelés semi-conducteurs intrinsèques. Un semi-conducteur intrinsèque contient un nombre égal de trous et d’électrons libres. Lorsqu’ils sont chauffés, la conductivité intrinsèque des semi-conducteurs augmente. À température constante, un état d’équilibre dynamique apparaît dans le nombre de paires électron-trou formées et dans le nombre d’électrons et de trous recombinés, qui restent constants dans des conditions données.

La présence d'impuretés a un effet significatif sur la conductivité électrique des semi-conducteurs. Leur ajout permet d'augmenter considérablement le nombre d'électrons libres avec un petit nombre de trous et d'augmenter le nombre de trous avec un petit nombre d'électrons au niveau de la conduction. Les semi-conducteurs à impuretés sont des conducteurs dotés d'une conductivité d'impuretés.

Les impuretés qui cèdent facilement des électrons sont appelées impuretés donneuses. Les impuretés du donneur peuvent être éléments chimiques avec des atomes dont les niveaux de valence contiennent plus d'électrons que les atomes de la substance de base. Par exemple, le phosphore et le bismuth sont des impuretés donneuses de silicium.

L’énergie nécessaire à un électron pour sauter dans la région de conduction est appelée énergie d’activation. Les semi-conducteurs impuretés en ont besoin de beaucoup moins que la substance principale. Avec un léger chauffage ou éclairage, ce sont principalement les électrons des atomes des impuretés semi-conductrices qui sont libérés. Un trou remplace l’électron qui quitte l’atome. Mais la recombinaison des électrons en trous ne se produit pratiquement pas. La conductivité du trou du donneur est négligeable. Cela se produit parce que le petit nombre d’atomes d’impuretés empêche les électrons libres de s’approcher fréquemment du trou et de l’occuper. Les électrons sont situés à proximité des trous, mais ne sont pas capables de les remplir en raison d'un niveau d'énergie insuffisant.

Un léger ajout d'une impureté donneuse augmente le nombre d'électrons de conduction de plusieurs ordres de grandeur par rapport au nombre d'électrons libres dans le semi-conducteur natif. Les électrons sont ici les principaux porteurs de charges d'atomes d'impuretés semi-conductrices. Ces substances sont classées comme semi-conducteurs de type n.

Les impuretés qui lient les électrons d'un semi-conducteur, augmentant ainsi le nombre de trous, sont appelées impuretés accepteurs. Les impuretés accepteurs sont des éléments chimiques contenant moins d’électrons au niveau de valence que le semi-conducteur de base. Le bore, le gallium, l'indium sont des impuretés accepteurs du silicium.

Les caractéristiques d'un semi-conducteur dépendent des défauts de sa structure cristalline. C’est la raison pour laquelle il est nécessaire de cultiver des cristaux extrêmement purs. Les paramètres de conductivité du semi-conducteur sont contrôlés par l'ajout de dopants. Les cristaux de silicium sont dopés avec du phosphore (un élément du sous-groupe V), qui est un donneur, pour créer un cristal de silicium de type n. Pour obtenir un cristal avec une conductivité de trou, le bore accepteur est introduit dans le silicium. Les semi-conducteurs avec un niveau de Fermi compensé pour le déplacer au milieu de la bande interdite sont créés de la même manière.

Semi-conducteurs à élément unique

Le semi-conducteur le plus courant est bien entendu le silicium. Avec le germanium, il est devenu le prototype d’une large classe de semi-conducteurs possédant des structures cristallines similaires.

La structure cristalline du Si et du Ge est la même que celle du diamant et de l’étain-α. Dans celui-ci, chaque atome est entouré de 4 atomes les plus proches, qui forment un tétraèdre. Cette coordination est appelée quadruple coordination. Les cristaux liés tétradriques sont devenus fondamentaux pour l'industrie électronique et jouent un rôle clé dans technologie moderne. Certains éléments des groupes V et VI du tableau périodique sont également des semi-conducteurs. Des exemples de ce type de semi-conducteur sont le phosphore (P), le soufre (S), le sélénium (Se) et le tellure (Te). Dans ces semi-conducteurs, les atomes peuvent avoir une coordination triple (P), double (S, Se, Te) ou quadruple. En conséquence, des éléments similaires peuvent exister dans plusieurs structures cristallines différentes et peuvent également être produits sous forme de verre. Par exemple, le Se a été cultivé dans des structures cristallines monocliniques et trigonales ou sous forme de verre (qui peut également être considéré comme un polymère).

Le diamant possède une excellente conductivité thermique, d'excellentes caractéristiques mécaniques et optiques et une résistance mécanique élevée. La largeur de l'écart énergétique est dE = 5,47 eV.

Le silicium est un semi-conducteur utilisé dans les cellules solaires et sous forme amorphe dans les cellules solaires à couches minces. C’est le semi-conducteur le plus utilisé dans les cellules photovoltaïques, il est facile à fabriquer et possède de bonnes propriétés électriques et mécaniques. dE = 1,12 eV.

Le germanium est un semi-conducteur utilisé en spectroscopie gamma et dans les cellules photovoltaïques à haut rendement. Utilisé dans les premières diodes et transistors. Nécessite moins de nettoyage que le silicone. dE = 0,67 eV.

Le sélénium est un semi-conducteur utilisé dans les redresseurs au sélénium, qui présentent une résistance élevée aux radiations et une capacité d'auto-guérison.

Connexions à deux éléments

Les propriétés des semi-conducteurs formés par les éléments des groupes 3 et 4 du tableau périodique ressemblent à 4 groupes. Transition du groupe 4 d'éléments aux composés du groupe 3-4. rend les liaisons partiellement ioniques en raison du transfert de charge électronique de l’atome du groupe 3 à l’atome du groupe 4. L'ionicité modifie les propriétés des semi-conducteurs. C'est la raison de l'augmentation de l'interaction interionique coulombienne et de l'énergie de la rupture d'énergie dans la structure de bande des électrons. Un exemple de composé binaire de ce type est l'antimonide d'indium InSb, l'arséniure de gallium GaAs, l'antimonide de gallium GaSb, le phosphure d'indium InP, l'antimonide d'aluminium AlSb, le phosphure de gallium GaP.

L'ionicité augmente et sa valeur augmente encore plus dans les composés de substances des groupes 2 à 6, tels que le séléniure de cadmium, le sulfure de zinc, le sulfure de cadmium, le tellurure de cadmium, le séléniure de zinc. En conséquence, la plupart des composés des groupes 2 à 6 ont une bande interdite plus large que 1 eV, à l’exception des composés du mercure. Le tellurure de mercure est un semi-conducteur sans lacune énergétique, un semi-métal, comme l'α-étain.

Les semi-conducteurs des groupes 2 à 6 avec un grand écart énergétique sont utilisés dans la production de lasers et d'écrans. Les composés binaires des groupes 2 à 6 avec un écart énergétique réduit conviennent aux récepteurs infrarouges. Les composés binaires des éléments des groupes 1 à 7 (bromure de cuivre CuBr, iodure d'argent AgI, chlorure de cuivre CuCl) en raison de leur ionicité élevée ont une bande interdite plus large que 3 eV. Ce ne sont en réalité pas des semi-conducteurs, mais des isolants. Une augmentation de l'énergie de cohésion du cristal due à l'interaction interionique coulombienne favorise la structuration des atomes avec une coordination sextuple plutôt que quadratique. Les composés des groupes 4 à 6 - sulfure et tellurure de plomb, sulfure d'étain - sont également des semi-conducteurs. Le degré d'ionicité de ces substances contribue également à la formation d'une coordination sextuple. Une ionicité importante ne les empêche pas d'avoir des bandes interdites très étroites, ce qui leur permet d'être utilisés pour recevoir des rayonnements IR. Le nitrure de gallium, un composé de 3 à 5 groupes présentant un large écart énergétique, a trouvé une application dans les LED fonctionnant dans la partie bleue du spectre.

GaAs, arséniure de gallium, est le deuxième semi-conducteur le plus populaire après le silicium, couramment utilisé comme substrat pour d'autres conducteurs, tels que GaInNA et InGaAs, dans les LED IR, les puces et transistors haute fréquence, les cellules photovoltaïques à haut rendement, les diodes laser et détecteurs de rayonnement nucléaire. dE = 1,43 eV, ce qui permet d'augmenter la puissance des dispositifs par rapport au silicium. Il est fragile, contient plus d’impuretés et est difficile à fabriquer.

Le ZnS, sulfure de zinc, est un sel de zinc du sulfure d'hydrogène avec une bande interdite de 3,54 et 3,91 eV, utilisé dans les lasers et comme phosphore.

SnS, sulfure d'étain - semi-conducteur utilisé dans les photorésistances et photodiodes, dE= 1,3 et 10 eV.

Oxydes

Les oxydes métalliques sont généralement d’excellents isolants, mais il existe des exceptions. Des exemples de ce type de semi-conducteurs sont l'oxyde de nickel, l'oxyde de cuivre, l'oxyde de cobalt, le dioxyde de cuivre, l'oxyde de fer, l'oxyde d'europium et l'oxyde de zinc. Étant donné que le dioxyde de cuivre existe sous la forme de cuprite, ses propriétés ont été largement étudiées. La procédure de croissance de ce type de semi-conducteur n’est pas encore entièrement comprise, leur utilisation est donc encore limitée. Une exception est l'oxyde de zinc (ZnO), un composé des groupes 2 à 6, utilisé comme convertisseur et dans la production de rubans adhésifs et d'adhésifs.

La situation a radicalement changé après la découverte de la supraconductivité dans de nombreux composés du cuivre et de l'oxygène. Le premier supraconducteur à haute température découvert par Müller et Bednorz était un composé basé sur le semi-conducteur La 2 CuO 4 avec un écart énergétique de 2 eV. En remplaçant le lanthane trivalent par du baryum ou du strontium divalent, des porteurs de charge à trous sont introduits dans le semi-conducteur. Atteindre la concentration de trous requise transforme La 2 CuO 4 en un supraconducteur. A cette époque, la température de transition la plus élevée vers l'état supraconducteur appartient au composé HgBaCa 2 Cu 3 O 8. À hypertension artérielle sa valeur est de 134 K.

Le ZnO, oxyde de zinc, est utilisé dans les varistances, les LED bleues, les capteurs de gaz, les capteurs biologiques, les revêtements de fenêtres pour réfléchir la lumière infrarouge, comme conducteur dans les écrans LCD et les cellules solaires. dE = 3,37 eV.

Cristaux en couches

Les composés binaires comme le diiodure de plomb, le séléniure de gallium et le disulfure de molybdène se distinguent par des forces en couches agissant dans les couches, beaucoup plus fortes que les liaisons de Van der Waals entre les couches elles-mêmes. Les semi-conducteurs de ce type sont intéressants car les électrons se comportent de manière quasi bidimensionnelle dans les couches. L'interaction des couches est modifiée par l'introduction d'atomes tiers - intercalation.

MoS 2, bisulfure de molybdène est utilisé dans les détecteurs haute fréquence, les redresseurs, les memristors et les transistors. dE = 1,23 et 1,8 eV.

Semi-conducteurs organiques

Des exemples de semi-conducteurs à base de composés organiques sont le naphtalène, le polyacétylène (CH 2) n, l'anthracène, le polydiacétylène, les phtalocyanures, le polyvinylcarbazole. Les semi-conducteurs organiques ont un avantage sur les semi-conducteurs inorganiques : il leur est facile de conférer les qualités souhaitées. Les substances avec des liaisons conjuguées de la forme -C=C-C= ont une non-linéarité optique importante et, de ce fait, sont utilisées en optoélectronique. De plus, les zones d'écart énergétique des semi-conducteurs organiques sont modifiées en modifiant la formule du composé, ce qui est beaucoup plus simple que celle des semi-conducteurs conventionnels. Les allotropes cristallins de carbone, de fullerène, de graphène et de nanotubes sont également des semi-conducteurs.

Le fullerène a une structure en forme de polyèdre fermé convexe d'un nombre pair d'atomes de carbone. Et le dopage du fullerène C 60 avec un métal alcalin le transforme en supraconducteur.

Le graphène est formé d’une couche monoatomique de carbone reliée en un réseau hexagonal bidimensionnel. A une conductivité thermique et une mobilité électronique record, une rigidité élevée

Les nanotubes sont des plaques de graphite enroulées dans un tube de plusieurs nanomètres de diamètre. Ces formes de carbone sont très prometteuses en nanoélectronique. Selon l'adhésion, ils peuvent présenter des qualités métalliques ou semi-conductrices.

Semi-conducteurs magnétiques

Les composés contenant des ions magnétiques d'europium et de manganèse possèdent des propriétés magnétiques et semi-conductrices intéressantes. Des exemples de semi-conducteurs de ce type sont le sulfure d'europium, le séléniure d'europium et des solutions solides comme Cd 1-x- Mn x Te. La teneur en ions magnétiques affecte la façon dont les propriétés magnétiques telles que l'antiferromagnétisme et le ferromagnétisme apparaissent dans les substances. Les semi-conducteurs semi-magnétiques sont des solutions magnétiques solides de semi-conducteurs contenant des ions magnétiques en petites concentrations. De telles solutions solides attirent l’attention en raison de leur promesse et de leur grand potentiel d’applications possibles. Par exemple, contrairement aux semi-conducteurs non magnétiques, ils peuvent réaliser une rotation de Faraday un million de fois supérieure.

Les forts effets magnéto-optiques des semi-conducteurs magnétiques leur permettent d’être utilisés pour la modulation optique. Les pérovskites comme Mn 0,7 Ca 0,3 O 3 ont des propriétés supérieures à la transition métal-semiconducteur dont la dépendance directe du champ magnétique se traduit par le phénomène de magnétorésistance géante. Ils sont utilisés dans l'ingénierie radio et dans les dispositifs optiques contrôlés par un champ magnétique, dans les guides d'ondes des appareils à micro-ondes.

Ferroélectriques à semi-conducteurs

Ce type de cristaux se distingue par la présence de moments électriques et l'apparition d'une polarisation spontanée. Par exemple, de telles propriétés sont possédées par les semi-conducteurs titanate de plomb PbTiO 3 , titanate de baryum BaTiO 3 , tellurure de germanium GeTe, tellurure d'étain SnTe, qui à basse température ont des propriétés ferroélectriques. Ces matériaux sont utilisés dans les dispositifs optiques non linéaires, les dispositifs de stockage et les capteurs piézoélectriques.

Variété de matériaux semi-conducteurs

Outre les substances semi-conductrices mentionnées ci-dessus, il en existe de nombreuses autres qui n’appartiennent à aucun des types répertoriés. Les composés d'éléments de formule 1-3-5 2 (AgGaS 2) et 2-4-5 2 (ZnSiP 2) forment des cristaux dans la structure de la chalcopyrite. Les liaisons des composés sont tétraédriques, similaires aux semi-conducteurs des groupes 3-5 et 2-6 avec une structure cristalline de zinc blende. Les composés qui forment les éléments des semi-conducteurs des groupes 5 et 6 (comme As 2 Se 3) sont semi-conducteurs sous forme de cristal ou de verre. Les chalcogénures de bismuth et d'antimoine sont utilisés dans les générateurs thermoélectriques à semi-conducteurs. Les propriétés de ce type de semi-conducteur sont extrêmement intéressantes, mais elles n’ont pas gagné en popularité en raison de leurs applications limitées. Cependant, leur existence confirme la présence de domaines encore inexplorés de la physique des semi-conducteurs.

Bonjour chers lecteurs du site. Le site comporte une section dédiée aux radioamateurs débutants, mais jusqu’à présent, je n’ai pas vraiment écrit quoi que ce soit pour les débutants qui font leurs premiers pas dans le monde de l’électronique. Je comble cette lacune et avec cet article, nous commençons à nous familiariser avec la structure et le fonctionnement des composants radio (composants radio).

Commençons par les dispositifs semi-conducteurs. Mais pour comprendre le fonctionnement d'une diode, d'un thyristor ou d'un transistor, il faut imaginer ce que c'est semi-conducteur. Par conséquent, nous étudierons d’abord la structure et les propriétés des semi-conducteurs au niveau moléculaire, puis nous traiterons du fonctionnement et de la conception des composants radio semi-conducteurs.

Concepts généraux.

Pourquoi exactement semi-conducteur diode, transistor ou thyristor ? Parce que la base de ces composants radio est semi-conducteurs- les substances capables de conduire électricité, et empêcher son passage.

Il s'agit d'un grand groupe de substances utilisées en radioingénierie (germanium, silicium, sélénium, oxyde de cuivre), mais principalement uniquement Silicium(Si) et Germanium(Gé).

En termes de propriétés électriques, les semi-conducteurs occupent une place intermédiaire entre les conducteurs et les non-conducteurs du courant électrique.

Propriétés des semi-conducteurs.

La conductivité électrique des conducteurs dépend fortement de la température ambiante.
À très faible température proche du zéro absolu (-273°C), semi-conducteurs ne pas effectuer courant électrique, et augmenter températures, leur résistance au courant diminue.

Si vous pointez du doigt un semi-conducteur lumière, alors sa conductivité électrique commence à augmenter. En utilisant cette propriété des semi-conducteurs, ils ont été créés photovoltaïque dispositifs. Les semi-conducteurs sont également capables de convertir l'énergie lumineuse en courant électrique, par exemple panneaux solaires. Et lorsqu'il est introduit dans les semi-conducteurs impuretés certaines substances, leur conductivité électrique augmente fortement.

Structure des atomes semi-conducteurs.

Le germanium et le silicium sont les principaux matériaux de nombreux dispositifs semi-conducteurs et possèdent quatre électron de valence.

Atome Allemagne se compose de 32 électrons et d'un atome silicium sur 14. Mais seulement 28 électrons de l'atome de germanium et 10 les électrons d'un atome de silicium, situés dans les couches internes de leurs coquilles, sont fermement retenus par les noyaux et ne s'en détachent jamais. Juste quatre Les électrons de valence des atomes de ces conducteurs peuvent devenir libres, et même alors pas toujours. Et si un atome semi-conducteur perd au moins un électron, alors il devient ion positif.

Dans un semi-conducteur, les atomes sont disposés dans un ordre strict : chaque atome est entouré de quatre les mêmes atomes. De plus, ils sont si proches les uns des autres que leurs électrons de valence forment des orbites uniques passant autour des atomes voisins, reliant ainsi les atomes en une seule substance entière.

Imaginons la relation des atomes dans un cristal semi-conducteur sous la forme d'un diagramme plat.
Dans le diagramme, les boules rouges avec un plus, classiquement, indiquent noyaux atomiques(ions positifs), et les boules bleues sont électrons de valence.

Ici vous pouvez voir qu'autour de chaque atome il y a quatre exactement les mêmes atomes, et chacun de ces quatre a une connexion avec quatre autres atomes, etc. N'importe lequel des atomes est connecté à chaque voisin deuxélectrons de valence, un électron étant le sien et l’autre emprunté à un atome voisin. Une telle liaison est appelée à deux électrons ou covalent.

À son tour, la couche externe de la couche électronique de chaque atome contient huitélectrons : quatre les leurs, et seul, emprunté à quatre voisin atomes. Ici, vous ne pouvez plus distinguer lequel des électrons de valence de l'atome est « le vôtre » et lequel est « étranger », puisqu'ils sont devenus communs. Avec une telle connexion d'atomes dans toute la masse d'un cristal de germanium ou de silicium, on peut supposer que le cristal semi-conducteur est un grand molécule. Sur la figure, les cercles roses et jaunes montrent la connexion entre les couches externes des coquilles de deux atomes voisins.

Conductivité électrique d'un semi-conducteur.

Considérons un dessin simplifié d'un cristal semi-conducteur, où les atomes sont représentés par une boule rouge avec un plus, et les liaisons interatomiques sont représentées par deux lignes symbolisant les électrons de valence.

A des températures proches du zéro absolu, un semi-conducteur ne mène pas courant, puisqu'il n'y a pas électrons libres. Mais avec l'augmentation de la température, la connexion des électrons de valence avec les noyaux atomiques affaiblit et certains électrons, en raison du mouvement thermique, peuvent quitter leurs atomes. Un électron échappé d'une liaison interatomique devient " gratuit", et là où il était avant, il forme endroit vide, que l'on appelle conventionnellement trou.

Comment plus haut température du semi-conducteur, le plus il devient exempt d'électrons et de trous. En conséquence, il s'avère que la formation d'un « trou » est associée au départ d'un électron de valence de la coquille d'un atome, et le trou lui-même devient positif charge électrique égale négatif charge électronique.

Regardons maintenant la figure qui montre schématiquement phénomène de génération de courant dans un semi-conducteur.

Si vous appliquez une certaine tension au semi-conducteur, aux contacts «+» et «-», un courant y apparaîtra.
En raison de phénomènes thermiques, dans un cristal semi-conducteur à partir de liaisons interatomiques commencera Libérez-vous un certain nombre d'électrons (boules bleues avec flèches). Attirer les électrons positif le pôle de la source de tension sera se déplacer vers lui, laissant derrière lui des trous, qui sera rempli par d'autres électrons libérés. C'est-à-dire que sous l'influence d'un champ électrique externe, les porteurs de charge acquièrent une certaine vitesse de mouvement directionnel et créent ainsi électricité.

Par exemple : l’électron libéré le plus proche du pôle positif de la source de tension attire ce pôle. Rompant la liaison interatomique et la quittant, l'électron feuilles après moi trou. Un autre électron libéré, situé à quelque suppression du pôle positif, également attire poteau et se déplace envers lui, mais avoir rencontré il y a un trou sur son chemin et il est attiré dedans cœur atome, rétablissant la liaison interatomique.

La résultante nouveau trou après le deuxième électron, remplit le troisième électron libéré situé à côté de ce trou (Figure n°1). À son tour des trous, situé le plus près de négatif poteau, rempli d'autres électrons libérés(Figure n°2). Ainsi, un courant électrique apparaît dans le semi-conducteur.

Alors qu'il est actif dans un semi-conducteur champ électrique , ce processus continu: les liaisons interatomiques sont rompues - des électrons libres apparaissent - des trous se forment. Les trous sont remplis d'électrons libérés - les liaisons interatomiques sont restaurées, tandis que d'autres liaisons interatomiques sont rompues, d'où les électrons partent et remplissent les trous suivants (Figure n° 2-4).

Nous concluons de là : les électrons se déplacent du pôle négatif de la source de tension vers le positif, et les trous se déplacent du pôle positif vers le négatif.

Conductivité des trous électroniques.

Dans un cristal semi-conducteur « pur », le nombre libéré en ce moment il y a des électrons égaux au nombre émergent dans ce cas, des trous, donc la conductivité électrique d'un tel semiconducteur petit, puisqu'il fournit du courant électrique grand résistance, et cette conductivité électrique est appelée propre.

Mais si vous l'ajoutez à un semi-conducteur sous la forme impuretés un certain nombre d'atomes d'autres éléments, alors sa conductivité électrique augmentera considérablement, et en fonction de constructions atomes d'éléments d'impuretés, la conductivité électrique du semi-conducteur sera électronique ou trou.

Conductivité électronique.

Supposons que, dans un cristal semi-conducteur dans lequel les atomes ont quatre électrons de valence, nous remplaçons un atome par un atome dans lequel cinqélectrons de valence. Cet atome avec son quatre les électrons se lieront à quatre atomes voisins du semi-conducteur, et cinquième l'électron de valence restera " superflu- c'est-à-dire gratuit. Et quoi plus plus il y aura des électrons libres, ce qui signifie qu'un tel semi-conducteur dans ses propriétés se rapprochera du métal, et pour qu'un courant électrique le traverse, il les liaisons interatomiques ne doivent pas nécessairement être détruites.

Les semi-conducteurs présentant de telles propriétés sont appelés semi-conducteurs à conductivité de « type ». n", ou semi-conducteurs n-taper. Ici, la lettre latine n vient du mot « négatif » - c'est-à-dire « négatif ». Il s'ensuit que dans un semi-conducteur n-taper principal les porteurs de charge sont - électrons, et pas les principaux - les trous.

Conductivité du trou.

Prenons le même cristal, mais remplaçons maintenant son atome par un atome dans lequel seul troisélectron libre. Avec ses trois électrons, il entrera uniquement en contact trois atomes voisins, et il n'en aura pas assez pour se lier au quatrième atome unélectron. En conséquence, il forme trou. Naturellement, il sera rempli de tout autre électron libre situé à proximité, mais, dans tous les cas, il n'y aura pas de tel semi-conducteur dans le cristal. saisir des électrons pour remplir les trous. Et quoi plus il y aura de tels atomes dans un cristal, donc plus il y aura des trous.

Pour que des électrons libres puissent être libérés et se déplacer dans un tel semi-conducteur, Les liaisons de valence entre atomes doivent être rompues. Mais il n’y aura toujours pas assez d’électrons, puisque le nombre de trous sera toujours plus nombre d'électrons à un moment donné.

De tels semi-conducteurs sont appelés semi-conducteurs avec trou conductivité ou conducteurs p-type, qui traduit du latin « positif » signifie « positif ». Ainsi, le phénomène de courant électrique dans un cristal semi-conducteur de type P s'accompagne d'un courant continu émergence Et disparition charges positives - trous. Cela signifie que dans un semi-conducteur p-taper principal les porteurs de charges sont des trous, et pas les principaux - les électrons.

Maintenant que vous avez une certaine idée des phénomènes se produisant dans les semi-conducteurs, il ne vous sera pas difficile de comprendre le principe de fonctionnement des composants radio semi-conducteurs.

Arrêtons-nous ici, considérons le dispositif, le principe de fonctionnement de la diode, et analysons-le caractéristique courant-tension et schémas de commutation.
Bonne chance!

Source:

1 . Borissov V.G. — Jeune radioamateur. 1985
2 . Site Web Academic.ru : http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Les semi-conducteurs tirent leur nom du fait qu'ils occupent une position intermédiaire entre les conducteurs (métaux, électrolytes, charbon), qui ont une conductivité électrique élevée, et les isolants (porcelaine, mica, caoutchouc et autres), qui ne conduisent presque pas de courant électrique.

Si l'on compare la résistance volumique spécifique en Ohm × cm pour différentes substances, il s'avère que les conducteurs ont : ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm ; résistivité semi-conducteurs : ρ U= 10 -3 - 10 8 Ohms × cm ; et pour les diélectriques : ρ U= 10 8 - 10 20 Ohm × cm Les semi-conducteurs comprennent : oxydes métalliques - oxydes (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3) ; composés soufrés - sulfures (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); composés avec du sélénium - séléniures; composés avec du tellure - tellurures; certains alliages (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb) ; éléments chimiques - germanium, silicium, tellure, sélénium, bore, carbone, soufre, phosphore, arsenic, ainsi qu'un grand nombre de composés complexes (galène, carborundum et autres).

Figure 1. Germanium

Figure 2. Silicium

Figure 3. Tellure

Une étude complète et approfondie des propriétés des semi-conducteurs a été réalisée par le scientifique soviétique A.F. Ioffe et ses collègues.

Les propriétés électriques des semi-conducteurs diffèrent fortement de celles des conducteurs et des isolants. La conductivité électrique des conducteurs dépend fortement de la température, de l'éclairage, de la présence et de l'intensité du champ électrique ainsi que de la quantité d'impuretés. Aux températures ordinaires, les semi-conducteurs contiennent un certain nombre d'électrons libres résultant de la rupture de liaisons électroniques. Les semi-conducteurs ont deux types de conductivité : les électrons et les trous. Les porteurs de charge dans les semi-conducteurs à conduction électronique sont des électrons libres, et à conduction par trous, ce sont des liaisons dépourvues d'électrons.

Considérez l’expérience suivante. Prenons un conducteur métallique et chauffons une extrémité, puis l'extrémité chauffée du conducteur recevra une charge positive. Cela est dû au mouvement des électrons de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide, entraînant un manque d’électrons à l’extrémité chaude du conducteur (charge positive) et un excès d’électrons à l’extrémité froide (charge négative). Le flux de courant à court terme à travers un conducteur était provoqué par le mouvement des électrons d’une extrémité à l’autre du conducteur. Alors ici nous parlons deà propos d'un conducteur à conductivité électronique. Cependant, certaines substances se comportent différemment au cours d'une telle expérience : le bord chauffé d'une telle substance reçoit une charge négative et le bord froid reçoit une charge positive. Ceci est possible si l'on suppose que le transfert de courant s'effectue par des charges positives.

Figure 4. Liaison entre les atomes d'une substance

Figure 5. Conductivité intrinsèque des semi-conducteurs

Figure 6. Conductivité électronique d'un semi-conducteur

Figure 7. Conductivité des trous d'un semi-conducteur

Faisons connaissance avec un autre type de conductivité dans les semi-conducteurs : la conductivité des trous. Dans les semi-conducteurs purs, tous les électrons faiblement liés aux noyaux participent aux liaisons électroniques. Dans la figure 4, UN la liaison remplie entre les atomes de la substance est classiquement représentée. Un « trou » est un élément du réseau cristallin d'une substance qui a perdu un électron, ce qui correspond à l'apparition d'une charge positive (Figure 4, b).

Une liaison libérée peut être à nouveau remplie si le « trou » capture un électron d'une liaison voisine (Figure 4, V). Cela entraînera le déplacement du « trou » vers un nouvel emplacement. Dans une substance semi-conductrice, dans des conditions normales, la direction de l'émission des électrons et l'emplacement de la formation du « trou » sont chaotiques. Si vous postulez à un semi-conducteur pur pression constante, alors les électrons et les « trous » se déplaceront (le premier dans le sens inverse des forces de champ, le second dans le sens opposé). Si le nombre de « trous » formés est égal au nombre d’électrons libérés, alors, comme c’est le cas des semi-conducteurs purs, la conductivité des semi-conducteurs est faible (conductivité intrinsèque). La présence même d'une petite quantité d'impuretés étrangères peut modifier le mécanisme de conductivité électrique : le rendre électronique ou troué. Regardons un exemple spécifique. Prenons le germanium (Ge) comme semi-conducteur. Dans un cristal de germanium, chaque atome est lié à quatre autres atomes. Lorsque la température augmente ou à la suite d’une irradiation, les liaisons des paires du cristal peuvent être rompues. Dans ce cas, un nombre égal d’électrons et de « trous » sont formés (Figure 5).

Ajoutons de l'arsenic au germanium comme impureté. Une telle impureté possède un grand nombre d’électrons faiblement liés. Les atomes d'impuretés ont leur propre niveau d'énergie, situé entre les niveaux d'énergie des bandes libres et remplies, plus proches de ces dernières (Figure 6). Ces impuretés cèdent leurs électrons à la zone libre et sont appelées impuretés donneuses. Le semi-conducteur aura des électrons libres, tandis que toutes les liaisons seront remplies. Le semi-conducteur aura une conductivité électronique dans la bande libre.

Si maintenant de l'indium, plutôt que de l'arsenic, est ajouté comme impureté au germanium, ce qui suit se produira. Une telle impureté possède un petit nombre d'électrons faiblement liés, et le niveau d'énergie de l'impureté se situe entre les niveaux d'énergie des zones libres et remplies, plus proche de la zone libre (Figure 7). Les impuretés de ce type acceptent dans leur zone des électrons provenant d'une zone remplie adjacente et sont appelées impuretés acceptrices. Dans le semi-conducteur, il y aura des liaisons non remplies – des « trous » en l’absence d’électrons libres. Le semi-conducteur aura une conductivité de trou dans la bande remplie.

Maintenant, l'expérience du chauffage d'un semi-conducteur deviendra claire, lorsque l'extrémité chauffée recevra une charge négative et l'extrémité froide recevra une charge positive. Sous l’influence de la chaleur, les liaisons à l’extrémité chaude commenceront à se rompre, créant des « trous » et des électrons libres. Si le semi-conducteur contient des impuretés, les « trous » commenceront à se déplacer vers l'extrémité froide, la chargeant positivement, et l'extrémité chauffée du semi-conducteur deviendra chargée négativement.

En conclusion de notre examen des semi-conducteurs, nous tirons la conclusion suivante.

En ajoutant des impuretés à un semi-conducteur, on peut lui conférer une conductivité électronique ou de trou prédominante. Sur cette base, les types de semi-conducteurs suivants sont obtenus. Les semi-conducteurs à conductivité électronique sont appelés semi-conducteurs n-type (négatif) et avec conductivité du trou - p-type (positif).

Nous vous invitons également à regarder des vidéos pédagogiques sur les semi-conducteurs :

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Selon la valeur de la résistivité électrique semi-conducteurs occupent une position intermédiaire entre les bons conducteurs (σ = 10 6 -10 4 Ohm -1 cm -1) et les diélectriques (σ = -12 - 10 -10 Ohm -1 cm -1). Les semi-conducteurs comprennent de nombreux éléments chimiques (germanium, silicium, sélénium, indium, tellure, arsenic...), grande quantité alliages et composés chimiques. Presque toutes les substances inorganiques du monde qui nous entoure sont des semi-conducteurs. Le semi-conducteur le plus répandu dans la nature est le silicium, qui représente environ 30 % de la croûte terrestre.

En plus de la température, la conductivité électrique des semi-conducteurs est influencée par un champ électrique puissant, la pression, l'exposition aux rayonnements optiques et ionisants, la présence d'impuretés et d'autres facteurs pouvant modifier la structure de la substance et l'état des électrons. Cette circonstance joue un rôle déterminant dans les utilisations nombreuses et variées semi-conducteurs.

La différence qualitative entre les semi-conducteurs et les métaux se manifeste principalement dans la dépendance de la résistivité à la température. À mesure que la température diminue, la résistance des métaux diminue. Dans les semi-conducteurs, au contraire, la résistance augmente avec la diminution de la température et, proche du zéro absolu, ils deviennent pratiquement des isolants.

Dépendance de la résistivité d'un semi-conducteur pur à la température.

Ce comportement de la dépendance ρ(T) montre que dans les semi-conducteurs, la concentration de porteurs de charge libres ne reste pas constante, mais augmente avec l'augmentation de la température. Le mécanisme du courant électrique dans les semi-conducteurs ne peut pas être expliqué dans le cadre du modèle des gaz d’électrons libres. Considérons qualitativement ce mécanisme en prenant l'exemple du germanium (Ge). Dans un cristal de silicium (Si), le mécanisme est similaire.

Les atomes de germanium ont quatre électrons faiblement liés dans leur enveloppe externe. C’est ce qu’on appelle des électrons covalents. Dans un réseau cristallin, chaque atome est entouré de ses quatre plus proches voisins. La liaison entre les atomes d'un cristal de germanium est covalente, c'est-à-dire qu'elle est réalisée par des paires d'électrons de valence. Chaque électron de valence appartient à deux atomes.

Liaisons paires-électrons dans un cristal de germanium et formation d'une paire électron-trou

Les électrons de Valence dans un cristal de germanium sont beaucoup plus fortement liés aux atomes que dans les métaux ; Par conséquent, la concentration d’électrons de conduction à température ambiante dans les semi-conducteurs est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des métaux. Température proche du zéro absolu dans un cristal de germanium, tous les électrons sont occupés à la formation de liaisons. Un tel cristal ne conduit pas le courant électrique.

À mesure que la température augmente, certains électrons de valence peuvent gagner suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons covalentes. Des électrons libres (électrons de conduction) apparaîtront alors dans le cristal. Dans le même temps, des postes vacants se forment aux endroits où les liaisons sont rompues, qui ne sont pas occupées par des électrons. Ces postes vacants sont appelés des trous. La place vacante peut être occupée par un électron de valence d'une paire voisine, puis le trou se déplacera vers une nouvelle place dans le cristal. À une température donnée du semi-conducteur, un certain nombre de paires électron-trou se forment par unité de temps. Dans le même temps, le processus inverse se produit : lorsqu'un électron libre rencontre un trou, la liaison électronique entre les atomes de germanium est rétablie. Ce processus est appelé recombinaison. Des paires électron-trou peuvent également être créées lorsqu’un semi-conducteur est éclairé en raison de l’énergie d’un rayonnement électromagnétique. En l’absence de champ électrique, les électrons et les trous de conduction participent à un mouvement thermique chaotique.

La concentration d'électrons de conduction dans un semi-conducteur est égale à la concentration de trous : n n = n p. Le mécanisme de conductivité électron-trou ne se manifeste que dans les semi-conducteurs purs (c’est-à-dire sans impuretés). On l'appelle Avec conductivité électrique privée semi-conducteurs .

En présence d'impuretés, la conductivité électrique des semi-conducteurs change considérablement. Par exemple, l’ajout d’impuretés de phosphore en quantité de 0,001 % atomique à un cristal de silicium réduit la résistivité de plus de cinq ordres de grandeur. Une telle influence des impuretés peut être expliquée sur la base des idées ci-dessus sur la structure des semi-conducteurs. Une condition nécessaire Une forte diminution de la résistivité d'un semi-conducteur avec l'introduction d'impuretés est la différence entre la valence des atomes d'impuretés et la valence des atomes principaux du cristal.

La conductivité des semi-conducteurs en présence d'impuretés est appelée conductivité des impuretés . Il existe deux types de conductivité des impuretés - électron et trou.

Conductivité électronique se produit lorsque des atomes pentavalents (par exemple, des atomes d'arsenic, As) sont introduits dans un cristal de germanium avec des atomes tétravalents. Semi-conducteur de type n. Un atome d'arsenic dans un réseau cristallin de germanium.

La figure montre un atome d'arsenic pentavalent trouvé dans un site du réseau cristallin du germanium. Les quatre électrons de valence de l'atome d'arsenic participent à la formation de liaisons covalentes avec quatre atomes de germanium voisins. Le cinquième électron de valence s’est avéré redondant ; il se détache facilement de l'atome d'arsenic et se libère. Un atome qui a perdu un électron devient un ion positif situé à un endroit du réseau cristallin. Une impureté d'atomes dont la valence dépasse la valence des atomes principaux d'un cristal semi-conducteur est appelée impureté du donneur . Suite à son introduction, un nombre important d’électrons libres apparaissent dans le cristal. Cela conduit à une forte diminution de la résistivité du semi-conducteur - des milliers, voire des millions de fois. La résistivité d'un conducteur à forte teneur en impuretés peut se rapprocher de celle d'un conducteur métallique.

Dans un cristal de germanium mélangé à de l’arsenic, il y a des électrons et des trous responsables de la propre conductivité du cristal. Mais le principal type de porteurs de charge libres sont les électrons détachés des atomes d’arsenic. Dans un tel cristal n n >> n p . Une telle conductivité est appelée électronique et un semi-conducteur à conductivité électronique est appelé semi-conducteur de type n.

La conduction par trous se produit lorsque des atomes trivalents (par exemple, des atomes d'indium, In) sont introduits dans un cristal de germanium. La figure montre un atome d'indium qui, grâce à ses électrons de valence, a créé des liaisons covalentes avec seulement trois atomes de germanium voisins.

Semi-conducteur de type P. Atome indien dans un réseau cristallin de germanium

L’atome d’indium n’a pas d’électron pour former une liaison avec le quatrième atome de germanium. Cet électron manquant peut être capturé par l’atome d’indium à partir de la liaison covalente des atomes de germanium voisins. Dans ce cas, l'atome d'indium se transforme en un ion négatif situé sur un site du réseau cristallin et une lacune se forme dans la liaison covalente des atomes voisins. Un mélange d'atomes capables de capturer des électrons est appelé impureté accepteur. À la suite de l'introduction d'une impureté acceptrice, de nombreuses liaisons covalentes sont rompues dans le cristal et des lacunes (trous) se forment. Les électrons des liaisons covalentes voisines peuvent sauter vers ces endroits, ce qui entraîne une errance chaotique des trous dans le cristal.

La présence d'une impureté acceptrice réduit fortement la résistivité du semi-conducteur du fait de l'apparition d'un grand nombre de trous libres. La concentration de trous dans un semi-conducteur avec une impureté acceptrice dépasse largement la concentration d'électrons résultant du mécanisme de conductivité électrique propre du semi-conducteur : n p >> n n . Ce type de conductivité est appelé conductivité du trou. Un semi-conducteur d'impuretés avec une conductivité de trou est appelé semi-conducteur de type p. Les principaux porteurs de charge libres dans les semi-conducteurs de type P sont les trous.

Il convient de souligner que la conductivité des trous est en réalité due au mouvement de relais des électrons à travers les lacunes d'un atome de germanium à un autre, qui réalisent une liaison covalente.

Pour les semi-conducteurs de type n et p, la loi d'Ohm est satisfaite dans certaines plages de courant et de tension, à condition que les concentrations de porteurs libres soient constantes.

Propriétés des semi-conducteurs - la propriété de l'ambre, après frottement avec de la laine, d'attirer de petits objets vers lui, a été remarquée il y a très longtemps. Mais les phénomènes électriques, capricieux et transitoires, restèrent longtemps dans l'ombre des phénomènes magnétiques, plus stables dans le temps.

Aux XVIIe et XVIIIe siècles expériences électriques s'est avéré largement disponible et un certain nombre de nouvelles découvertes ont été faites. En 1729, l'Anglais Stephen Gray découvre que toutes les substances sont divisées en 2 classes : les isolants incapables de transporter une charge électrique (appelés « corps électriques » car ils pourraient être électrifiés par friction), et les conducteurs capables de porter une charge (appelés « non-corps électriques »). -corps électriques »).

Idées modernes sur les propriétés électriques des substances

Avec le développement d'autres idées, les propriétés des substances à conduire le courant électrique ont commencé à être caractérisées quantitativement - par la valeur de la conductivité électrique spécifique, mesurée en Siemens par mètre (S/m). À température ambiante, la conductivité des conducteurs est comprise entre 10 6 et 10 8 S/m, et pour les diélectriques (isolants), elle est inférieure à 10 -8 S/m.

Les substances qui occupent une position intermédiaire en conductivité sont logiquement appelées semi-conducteurs ou semi-isolants. Le prénom a été historiquement fixé. La conductivité des semi-conducteurs est comprise entre 10 -8 et 10 6 S/m. Il n'y a pas de frontières nettes entre ces 3 types de substances, les différences qualitatives sont déterminées par la différence de propriétés quantitatives.

La physique sait qu’un électron dans un solide ne peut pas avoir d’énergie arbitraire ; cette énergie ne peut prendre que certaines valeurs, appelées niveaux d’énergie. Plus l’électron d’un atome est proche du noyau, plus son énergie est faible. L'électron distant a l'énergie la plus élevée. Seuls les électrons de la coque externe de l'atome (électrons de la bande de valence) participent aux processus électriques et chimiques.

Les électrons ayant une énergie plus élevée que les électrons de la bande de valence sont classés comme électrons de la bande de conduction. Ces électrons ne sont pas associés à des atomes individuels et se déplacent de manière aléatoire dans le corps pour permettre la conduction.

Les atomes d'une substance qui a donné un électron à la bande de conduction sont considérés comme des ions chargés positivement ; ils sont immobiles et forment un réseau cristallin de la substance à l'intérieur duquel se déplacent les électrons de conduction. Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction est adjacente à la bande de valence et chaque atome métallique cède sans interférence un ou plusieurs électrons à la bande de conduction, ce qui confère aux métaux la propriété de conductivité électrique.

Les propriétés des semi-conducteurs sont déterminées par la bande interdite

Dans les semi-conducteurs et les diélectriques, il existe ce qu'on appelle une bande entre la bande de valence et la bande de conduction. zone interdite. Les électrons ne peuvent pas avoir d'énergie correspondant à l'énergie des niveaux de cette zone. La division des substances en diélectriques et semi-conducteurs est effectuée en fonction de la largeur de la bande interdite. Avec une bande interdite de quelques électrons-volts (eV), les électrons de la bande de valence ont peu de chance d’entrer dans la bande de conduction, ce qui rend ces substances non conductrices. Ainsi, le diamant a une bande interdite de 5,6 eV. Cependant, avec l'augmentation de la température, les électrons de la bande de valence augmentent leur énergie et certains d'entre eux entrent dans la bande de conduction, ce qui détériore les propriétés isolantes des diélectriques.

Si la bande interdite est de l'ordre d'un électron-volt, la substance acquiert déjà une conductivité notable à température ambiante, devenant encore plus conductrice avec l'augmentation de la température. Nous classons ces substances comme semi-conducteurs, et les propriétés des semi-conducteurs sont déterminées par la bande interdite.

À température ambiante, la bande interdite des semi-conducteurs est inférieure à 2,5-3 eV. À titre d’exemple, la bande interdite du germanium est de 0,72 eV et celle du silicium de 1,12 eV. Les semi-conducteurs à large bande interdite comprennent les semi-conducteurs avec une bande interdite supérieure à 2 eV. Généralement, plus la bande interdite d’un semi-conducteur est élevée, plus son point de fusion est élevé. Ainsi, le germanium a un point de fusion de 936 °C et le silicium un point de fusion de 1 414 °C.

Deux types de conductivité semi-conductrice : électron et trou

Au zéro absolu (-273 °C), dans un semi-conducteur pur (semi-conducteur intrinsèque, ou semi-conducteur je-type) tous les électrons se trouvent dans les atomes et le semi-conducteur est un isolant. À mesure que la température augmente, certains électrons de la bande de valence entrent dans la bande de conduction et une conduction électronique se produit. Mais lorsqu’un atome perd un électron, il se charge positivement.

Un atome occupant une place dans un réseau cristallin ne peut pas se déplacer sous l'influence d'un champ électrique, mais il est capable d'attirer un électron d'un atome voisin, remplissant ainsi un « trou » dans sa bande de valence. L’atome qui a perdu un électron cherchera également à son tour une opportunité de combler le « trou » formé dans la coque externe. Un trou a toutes les propriétés d'une charge positive, et nous pouvons supposer que dans un semi-conducteur, il existe 2 types de porteurs : les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement.

Les électrons de conduction peuvent occuper des places libres dans la bande de valence, c'est-à-dire fusionner avec des trous. Ce processus est appelé recombinaison, et comme la génération et la recombinaison des porteurs se produisent simultanément, à une température donnée, le nombre de paires de porteurs est dans un état d'équilibre dynamique - le nombre de paires résultantes est comparé au nombre de paires recombinantes.

Conductivité intrinsèque d'un semi-conducteur je-type se compose de conductivité électronique et de trous, la conductivité électronique étant prédominante, car les électrons sont plus mobiles que les trous. La conductivité électrique spécifique des métaux ou des semi-conducteurs dépend du nombre de porteurs de charge par mètre cube. cm, ou sur la concentration d'électrons et de trous.

Si le nombre d'atomes dans 1 cube cm d'une substance de l'ordre de 10 22, alors à température ambiante dans les métaux le nombre d'électrons de conduction n'est pas inférieur au nombre d'atomes, c'est-à-dire également de l'ordre de 10 22, alors que dans le germanium pur la concentration en porteurs de charge est d'environ 10 13 cm -3, et dans le silicium de 10 10 cm -3, ce qui est nettement inférieur à celui du métal, c'est pourquoi la conductivité de Les semi-conducteurs sont des millions et des milliards de fois pires que ceux des métaux.

Tout est question d'impuretés

Lorsqu'une tension est appliquée à un semi-conducteur, le champ électrique qui y apparaît accélère les électrons et les trous, leur mouvement devient ordonné et un courant électrique apparaît - le courant de conduction. En plus de la conductivité intrinsèque, les semi-conducteurs présentent également une conductivité impureté qui, comme son nom l'indique, est due à la présence d'impuretés dans le semi-conducteur.

Si une quantité insignifiante d'antimoine, d'arsenic ou de phosphore 5-valent est ajoutée au germanium 4-valent, les atomes d'impuretés utiliseront 4 électrons pour se lier aux atomes de germanium, et le cinquième sera dans la bande de conduction, ce qui améliore considérablement la conductivité. du semi-conducteur. De telles impuretés, dont les atomes donnent des électrons, sont appelées donneurs. Puisque la conductivité électronique prédomine dans ces semi-conducteurs, ils sont appelés semi-conducteurs. n-type (de mot anglais négatif- négatif). Pour que tous les atomes donneurs donnent un électron à la bande de conduction, la bande d'énergie des atomes donneurs doit être située le plus près possible de la bande de conduction du semi-conducteur, légèrement en dessous.

Lorsqu'une impureté de bore, d'indium ou d'aluminium 3-valent est ajoutée au germanium 4-valent, les atomes d'impureté enlèvent des électrons aux atomes de germanium et le germanium acquiert une conductivité de trou et devient un semi-conducteur. p-type (du mot anglais positif- positif). Les impuretés qui créent la conductivité des trous sont appelées accepteurs.

Pour que les accepteurs capturent facilement les électrons, les niveaux d'énergie des atomes accepteurs doivent être adjacents aux niveaux de la bande de valence du semi-conducteur, située juste au-dessus de celui-ci.

La conductivité des impuretés dépasse généralement largement la conductivité intrinsèque, car la concentration d'atomes donneurs ou accepteurs dépasse largement la concentration de porteurs intrinsèques. Il est très difficile d'obtenir un semi-conducteur avec une quantité d'impureté strictement dosée, et le semi-conducteur initial doit également être très pur. Ainsi, pour le germanium, pas plus d’un atome d’impureté étrangère (c’est-à-dire ni donneur ni accepteur) n’est autorisé pour 10 milliards d’atomes de germanium, et pour le silicium, les exigences de pureté sont même 1 000 fois plus élevées.

Transition métal-semi-conducteur

Dans les dispositifs à semi-conducteurs, il est nécessaire d'utiliser des contacts semi-conducteurs-métal. Une substance (métal ou semi-conducteur) est caractérisée par l'énergie nécessaire à un électron pour quitter la substance - la fonction de travail. Notons le travail de sortie du métal par A m et du semi-conducteur par A p.

Contacts ohmiques

S'il est nécessaire de créer un contact ohmique (c'est-à-dire non redresseur, lorsque la résistance de contact est faible quelle que soit la polarité de la tension appliquée), il suffit d'assurer le contact du métal avec le semi-conducteur dans les conditions suivantes :

• En contact avec le n-semiconducteur : A m< A п;
• En contact avec un semi-conducteur p : A m > A p .

De telles propriétés des semi-conducteurs s'expliquent par le fait que les porteurs majoritaires s'accumulent dans la couche limite du semi-conducteur, ce qui assure sa faible résistance. L'accumulation de porteurs majoritaires est assurée par le fait que les électrons se déplacent toujours d'une substance avec un travail de travail inférieur vers une substance avec un travail de travail plus élevé.

Contacts du redresseur

Mais si avec un semi-conducteur n-type il y a un métal en contact avec A m > A p, alors les électrons se déplaceront du semi-conducteur vers le métal, et une région dépourvue de porteurs majoritaires et ayant une faible conductivité se forme dans la couche limite. Afin de surmonter la barrière créée, une tension d'une certaine polarité et d'une amplitude suffisante doit être appliquée au contact. Lorsqu'une polarité inversée est appliquée, la conductivité du contact se détériorera encore plus - un tel contact a des propriétés redressantes. Il est facile de voir que le contact métal-semi-conducteur a des propriétés similaires à celles des semi-conducteurs. p-tapez en A m< A п.

Histoire du détecteur de semi-conducteurs

Des propriétés similaires des semi-conducteurs métal-semi-conducteur ont été découvertes par le physicien allemand Ferdinand Braun en 1874. Les premières diodes métal-semi-conducteur sont apparues vers 1900, lorsque les récepteurs radio ont commencé à utiliser des détecteurs constitués d'un fil de tungstène pressé contre la surface d'un cristal de galène (sulfure de plomb). Les radioamateurs fabriquaient eux-mêmes des détecteurs en fusionnant du plomb avec du soufre.

En 1906, le scientifique français G. Picard a conçu un détecteur à partir d'un cristal de silicium et d'un ressort de contact en spirale avec une pointe et a obtenu un brevet pour celui-ci. Les dispositifs électroniques basés sur un contact métal-semi-conducteur sont appelés diodes Schottky du nom du physicien allemand Walter Schottky qui a étudié ces contacts.

En 1926, de puissants éléments redresseurs en cuprox sont apparus, constitués d'une plaque de cuivre recouverte d'une couche d'oxyde cuivreux, largement utilisés dans les unités de puissance.

Transition électron-trou

Transition électron-trou, ou n-p-la jonction est une zone à la frontière de deux semi-conducteurs de types de conductivité différents, et le fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs est basé sur l'utilisation des propriétés de telles transitions. En l'absence de tension appliquée à la jonction, les porteurs de charge se déplacent des zones de concentration plus élevée vers les zones de concentration plus faible - hors du semi-conducteur. n semi-conducteur de type p Les électrons de type se déplacent et les trous se déplacent dans la direction opposée.

À la suite de ces mouvements, des régions portant une charge d'espace apparaissent des deux côtés de l'interface et une différence de potentiel de contact apparaît entre ces régions. Cette différence de potentiel forme une barrière potentielle qui empêche d’autres porteurs de traverser la barrière. La hauteur de la barrière (différence de potentiel de contact) dépend de la concentration d'impuretés, et pour le germanium, elle est généralement de 0,3 à 0,4 V, atteignant 0,7 V. En régime permanent, il n'y a pas de courant à travers la jonction, car p-n- la jonction a une résistance élevée par rapport aux autres zones des semi-conducteurs, et la couche résultante est appelée couche de blocage.

Si pour n-p-appliquer une tension externe à la jonction, puis selon sa polarité, la jonction se comportera différemment.

Flux de courant continu à travers la jonction

Si à un semi-conducteur p-type, appliquez le « plus » d'une source de tension, puis le champ créé par la source agit à l'opposé du champ de la différence de potentiel de contact, le champ total diminue, la hauteur de la barrière de potentiel diminue, et un plus grand nombre de porteurs le surmonter. Un courant appelé courant continu commence à circuler à travers la jonction. Dans le même temps, l'épaisseur de la couche protectrice et sa résistance électrique diminuent.

Pour un important courant continu il suffit d'appliquer à la jonction une tension comparable à la hauteur de la barrière en l'absence de tension appliquée, c'est-à-dire en dixièmes de volt, et à tension plus élevée la résistance de la couche barrière deviendra proche de zéro.

Flux de courant inverse à travers la jonction

Si la tension externe est « inversée », c'est-à-dire attacher à p-source de tension «moins» du semi-conducteur, le champ de tension externe s'ajoutera au champ de différence de potentiel de contact. La hauteur de la barrière de potentiel augmente, ce qui gênera la diffusion des porteurs majoritaires à travers la jonction, et le courant traversant la jonction, appelé « inverse », sera faible. La couche barrière devient plus épaisse et sa résistance électrique augmente.

Les propriétés de redressement des jonctions électron-trou sont utilisées dans des diodes de diverses puissances et objectifs - pour la rectification courant alternatif dans les alimentations électriques et les signaux faibles dans les appareils à des fins diverses.

Autres applications des propriétés des semi-conducteurs

Une jonction électron-trou sous tension inverse se comporte de la même manière qu’un condensateur électrique chargé d’une capacité de quelques à plusieurs centaines de picofarads. Cette capacité dépend de la tension appliquée à la jonction, ce qui permet d'utiliser certains types de dispositifs semi-conducteurs comme condensateurs variables contrôlés par la tension appliquée.

Propriétés n-p-les transitions dépendent également fortement de la température du milieu, ce qui permet d'utiliser certains types de dispositifs semi-conducteurs comme capteurs de température. Appareils avec trois régions de conductivité différente, tels que n-p-n, vous permettent de créer des appareils qui ont les propriétés d'amplifier les signaux électriques, ainsi que de les générer.